Silicio Si

Storia della scoperta

La silice accompagna la tecnica umana dall'inizio. La selce scheggiata è silice quasi pura, e il vetro nasce fondendo sabbia con un fondente almeno dal III millennio a.C. Ma nessuna di queste pratiche richiedeva di sapere che cosa fosse la sabbia: bastava sapere che cosa ci si potesse fare. La silice era il materiale più familiare del mondo e insieme il più opaco alla comprensione, perché resisteva a ogni tentativo di scomporla.

A Berlino, negli anni Trenta del Settecento, Johann Heinrich Pott riceve dal re di Prussia un incarico preciso e commerciale: scoprire il segreto della porcellana, che a Meissen si fabbrica e altrove no, e che vale come una miniera. Pott affronta il problema per forza bruta, sottoponendo al fuoco della fornace ogni minerale e ogni miscela che riesce a mettere insieme; le fonti parlano di oltre trentamila prove.

La porcellana non la trova, e la commessa reale finirà per costargli il favore di corte. Il sottoprodotto di quel fallimento è però una cosa più grande: mettendo a confronto sistematicamente il comportamento al fuoco delle sostanze terrose, Pott arriva a separarle in famiglie distinte e riconosce come autonoma la terra vetrificabile, quella che fonde in vetro. È la silice, isolata concettualmente da calce, gesso e argilla per la prima volta.

Che dentro la silice ci fosse un elemento lo sospetta Lavoisier nel 1787, senza alcun modo di dimostrarlo. Il problema è la forza del legame fra silicio e ossigeno, fra i più tenaci della chimica: Humphry Davy ci prova con l'elettricità e non ce la fa; nel 1811 Gay-Lussac e Thénard, scaldando potassio con tetrafluoruro di silicio, ottengono davvero la sostanza, ma impura, e non si rendono conto di che cosa sia.

La chiude Jöns Jacob Berzelius nel 1823, a Stoccolma, con la stessa reazione condotta meglio: riduce il fluorosilicato di potassio con potassio metallico e poi, soprattutto, lava ripetutamente il prodotto finché non resta una polvere bruna pulita. La differenza fra lui e i predecessori sta tutta in quel lavaggio ostinato e nel riconoscere di avere davanti un elemento nuovo. Il nome silicio viene dal latino silex, la selce.

Caratteristiche

Il silicio è un semimetallo: lucido e grigio-azzurro come un metallo, ma fragile come il vetro e pessimo conduttore. Sta sotto il carbonio nella tavola periodica e ne condivide la capacità di formare quattro legami, ma è molto meno versatile nel legarsi a se stesso: le catene silicio-silicio sono instabili, ed è per questo che la vita è fatta di carbonio e non di silicio, nonostante quest'ultimo sia enormemente più abbondante.

La proprietà che ha cambiato il mondo è intermedia per definizione. Il silicio purissimo è quasi un isolante, perché fra la banda dei suoi elettroni legati e quella in cui possono muoversi c'è un divario di poco più di un elettronvolt; ma basta inserire nel reticolo pochi atomi estranei — un processo chiamato drogaggio — perché quel divario venga scavalcato e il materiale conduca. Un semiconduttore è un materiale di cui si decide se debba condurre o no.

In natura il silicio è sempre ossidato, quasi sempre in strutture in cui ogni atomo sta al centro di un tetraedro di quattro ossigeni. Il modo in cui questi tetraedri si collegano — isolati, in catene, in fogli, in reticoli tridimensionali — genera l'intera famiglia dei silicati e con essa quasi tutta la mineralogia della crosta terrestre: dal quarzo alle miche, dai feldspati alle argille.

Usi e presenza in natura

Gli impieghi di massa del silicio restano quelli antichi, moltiplicati per la scala industriale: sabbia silicea per il vetro, argille per ceramiche e laterizi, silicati per il cemento. A questi si aggiungono il carburo di silicio, uno dei materiali più duri che si producano, usato come abrasivo e refrattario, e i siliconi, polimeri a scheletro silicio-ossigeno che danno guarnizioni, lubrificanti e protesi.

La quota che conta di più, in valore, è minuscola in peso. Il silicio destinato all'elettronica viene purificato fino a livelli in cui gli atomi estranei si contano in poche unità per miliardo, fatto crescere in monocristalli e affettato in dischi sottili su cui si costruiscono i circuiti integrati. Le celle fotovoltaiche lavorano sullo stesso materiale, sfruttando la luce per far saltare gli elettroni nella banda di conduzione.

Curiosità

La valle a sud di San Francisco si chiama Silicon Valley perché lì si concentrò l'industria dei semiconduttori, e il nome ha finito per indicare l'intero settore tecnologico. Vale la pena tenere ferma la distinzione che in italiano si perde spesso: silicon in inglese è il silicio, l'elemento; silicone è tutt'altra cosa, la famiglia dei polimeri delle guarnizioni.

Alcuni organismi hanno imparato a costruirsi in vetro. Le diatomee, alghe unicellulari diffuse in tutti i mari, si fabbricano un guscio di silice amorfa finemente traforato, con geometrie regolari che i microscopisti dell'Ottocento usavano come banco di prova per le loro lenti. Accumulandosi sui fondali, quei gusci formano la farina fossile, usata come filtrante e come abrasivo delicato.